淮钢台车式热处理炉特性与热处理质量控制*

2015-03-22宋永琛包石磊

现代冶金 2015年5期

关键词：台车钢材燃气

宋永琛，包石磊

(江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司，江苏淮安 223002)

淮钢台车式热处理炉特性与热处理质量控制*

宋永琛，包石磊

(江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司，江苏淮安 223002)

介绍了江苏沙钢集团淮钢特钢有限公司台车式热处理炉的主要技术参数及特点，指出了热处理过程的各项质量控制要点。

台车式热处理炉； Krom-schroder 燃烧系统；退火；质量控制

引言

钢材的热处理对于钢铁材料的性能至关重要。钢材热处理主要有退火、淬(回)火、正火、渗氮、渗碳等工艺，基本过程有：加热、保温、冷却，每个过程的控制程度不同就会得到不同的性能指标。对于钢铁企业而言，成品钢材的退火是非常重要的环节，是生产中常用的预备热处理工艺，可以提供不同交货状态的成品，对性能要求不高、不太重要的零件及一些普通铸件、焊件，退火可作为最终热处理。钢的退火工艺种类颇多，按加热温度可分为两大类：一类是在临界温度(Ac3或Ac1)以上的退火，也称为相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、等温退火、球化退火和扩散退火等；另一类是在临界温度(Ac1)以下的退火，也称低温退火。包括再结晶退火、去应力和去氢退火等。

江苏沙钢集团淮钢特钢股份有限公司(以下简称“淮钢”)于2009年3月新投产2座80 t台车式热处理炉(以下简称“台车炉”)。淮钢现有2座80型捣固型焦炉，其副产品焦炉煤气是较好的燃料。2座台车炉以此焦炉煤气作为燃料，配备先进的德国Krom-schroder 燃烧系统，使得焦炉煤气在燃烧过程中始终与空气保持一个较为理想的配比值，以达到充分燃烧、温度均匀、降低能耗的作用。

1 台车炉的特性

1.1 台车炉的结构

2座台车炉炉身长度分别为8 m和13 m，在其炉膛侧壁下方分别布置10只和14只亚高速冲量式烧嘴。两座台车炉的结构相似，其中8 m台车炉的结构示意图如图1所示。

1.炉门；2.炉壳；3.台车；4.空气、燃气管道；5.换热器；6.烟囱

1.2 台车炉的有关技术参数

2座台车炉的有关技术参数如表1所示。

1.3 台车炉的技术特点

(1)采用焦炉煤气为燃料介质：与电阻加热式相比，具有升温速度快，热处理周期时间短，热效率高等优点，且无需配置较大的供电设施，降低了建设投资费用。

表1 台车炉的技术参数

(2)采用德国进口Krom-schroder 燃烧系统：燃烧系统配置亚高速冲量式烧嘴、手动旋塞阀、空燃比例调节阀、烧嘴控制器、燃气电磁阀等控制元件，与助燃风机、压力开关等形成闭合的控制系统。此燃烧系统通过空燃比例调节阀连接到空气管路上的导压管接收空气压力调节信号，从而实现阀后燃气出口压力和空气控制压力的恒定比例。通过调节空气阀门改变空气控制压力，空燃比例调节阀相应自动改变燃气压力来调节烧嘴的功率。另外，此空燃比例调节阀的压力补偿膜片可实现零压切断。亚高速冲量式烧嘴具有自动点火、火焰监测、熄火报警、燃气快速安全切断和大、小火脉冲和搅拌炉气功能。燃气空气分管路系统图如图2所示。

(3)安全防护系统：由于2座台车炉位于淮钢焦炉煤气管网的终端，其节点处的煤气压力波动大，为保证台车炉的安全操作，防止因煤气压力过低发生回火现象而导致安全事故，在管网接入点后设置了过滤器、切断阀、稳压阀和安全释放阀等元件。另外在炉外壁上配备了CO气体检测仪，便于巡检。

图2 燃气空气分管路系统图

(4)大、小火脉冲式燃烧：对炉膛内的烧嘴进行分区布置，结合温度检测数据和热处理工艺制度要求，对区域内的烧嘴依次进行大、小火脉冲式控制，由于烧嘴在煤气燃烧时的喷吹速度可达60 m/s，强化了炉膛内的空气对流，缩短了达到炉温均匀所需的时间，有效地降低了炉膛内的温度场不均匀性，提高了生产效率，减少了燃料消耗和废气排放。

(5)全纤维炉衬：炉体外设置型钢、钢板、地脚板、炉顶型钢及钢板，焊接成一个整体式钢结构，牢固可靠。炉衬采用50 mm厚纤维毡+250 mm厚预压制纤维模块，构成高节能型全纤维热处理炉，其保温效果好，炉壳表面温度仅高于室温15～20 ℃，能有效预防炉子高温收缩成缝，可比全耐火材料砌筑的炉子节能30%以上。

(6)台车炉的最高加热温度可达1 000 ℃，可进行软化、去应力、去氢退火、球化退火、正火等热处理作业。

(7)高温烟气经由高效换热器将助燃空气预热到250～300 ℃，其温度降低至200 ℃以下经烟囱外排。

2 热处理质量控制检验与分析

2.1 台车炉使用试验

淮钢牌弹簧钢为中国用户满意第一品牌，品种规格齐全。火车高速弹条60Si2CrVAT弹簧钢轧制后具有较高的硬度，一般交货状态为去应力退火状态。

试验工艺：热轧圆钢的软化退火；

试验材料：Φ17 mm的60Si2CrVAT弹簧圆钢；

试验设备：2#台车炉；

试验数量：共试验3炉，每炉装炉量约为70 t。

2.2 试验结果

2.2.1 硬度情况

每炉于钢材堆垛的底层、中层、顶层各随机取试样6个，每个试样分别检验硬度(HBS)3次，其平均硬度测试结果如表2所示。

表2 钢材硬度(HBS)统计表

备注：试验第一炉后发现，12#烧嘴附近的钢材硬度明显偏低，硬度为180～190HB，因此后续两炉在达到保温温度后将12#烧嘴改为手动调整方式，人为降低此区域温度5～6 ℃。

从表2可以看出，炉内钢材硬度存在明显分布不均匀现象，呈底层硬度低，中层硬度高的趋势；底层硬度最低的仅为181 HBS，而中层最高的达到255 HBS，而且同一炉次硬度最大相差也达到72 HBS(如第一炉数据)。三炉退火材的平均硬度为226.5 HBS，符合标准要求的小于250 HBS；底层的试样平均硬度最低，为216.9 HBS，中层试样平均硬度最高，为249 HBS，上层试样平均硬度居中，为229 HBS。

2.2.2 炉温情况

经实际检测，在保温期结束时，钢垛前、后端及中部的横断面上的温度差小于±10 ℃，满足了棒材热处理工艺的要求。

2.3 结果分析

2.3.1 硬度不均匀性的分析

经过前两炉的试验与工艺调整，将第三炉材料的硬度不均匀性控制在40 HBS左右。工件品质等级除第一炉由于烧嘴原因出现过低现象外，后两炉材料的硬度不均匀性基本满足GB/T 16923-2008规定的4级或更高级别的要求。

实际生产中，钢材热处理时，材料堆垛较为紧密，装炉量也较大。在加热或保温过程中，钢材层间空间间隔较小，对流传热效果较差，堆垛中心位置的钢材升温缓慢，保温时间相对较短，致使不同位置的钢材升温速度不均，造成中层钢材的内部组织与硬度同表面钢材存在差异。特别是对于燃气炉，由于燃气的温度高达1 300 ℃以上，烧嘴处存在明火烧钢现象。加热温度和保温时间等不均是导致钢材硬度不均匀的根本原因。

此次试验中，装炉量基本接近最大公称容量。通过减少装炉量、调整稳定过程操作、保证各烧嘴燃烧能力相同等操作方法，可有效提高钢材热处理后的组织和硬度均匀性。

2.3.2 热处理炉的不足与改进

(1)设计上未加设火道以保证炉温均匀性，而是采用了在台车上铺设垫铁的方式，为火焰燃烧提供喷射空间。但由于垫铁及炉顶高度的限制，存在火焰直接喷吹加热钢材的现象，会出现钢材组织和硬度的不均匀性，比如第一炉试验由于控制不当，导致钢材硬度偏差较大。通过后两炉试验的控制，纠正了这一现象。

(2)烧嘴间距较远。热处理炉相邻两个烧嘴设计间距为90 cm，炉子两侧的烧嘴采用了交叉分布的设计方案保证加热均匀。但是，由于在设计烧嘴时采用了较多阀体，如：手动旋塞阀、空燃比例调节阀、烧嘴控制器、燃气电磁阀等，在长时间加热燃烧过程中个别阀体会出现松动，导致空气与燃气流量发生变化，造成火焰发生变化。生产过程中需要操作员工及时关注，并不断调整，方能保证各烧嘴良好的燃烧状态与效果。